Mesure des températures de surface avec des thermocouples

N'existe pas thermocouple d'un typedestinés à mesurer la température de surface de corps solides (thermocouples de surface). L'abondance des modèles de thermocouples de surface existants est principalement due à la variété des conditions de mesure et des propriétés des surfaces dont les températures doivent être mesurées.

Dans la pratique industrielle, il est nécessaire de mesurer les températures de surfaces de formes géométriques différentes, de corps fixes et rotatifs, de corps électriquement conducteurs et d'isolants, de corps à haute et basse conductivité thermique, lisses et rugueux. Par conséquent, les thermocouples de surface adaptés à une utilisation dans certaines conditions ne conviennent pas dans d'autres.

Mesure de la température d'une surface métallique en soudant un thermocouple

Très souvent, pour mesurer les températures de plaques métalliques minces chauffées ou de corps solides, une jonction de thermocouple est directement soudée ou soudée à la surface testée.Cette méthode de mesure de la température ne peut être considérée comme acceptable que si certaines précautions sont prises.

L'échange thermique entre la surface de la plaque et la bille de liaison des thermocouples s'effectue principalement par le flux thermique traversant leur surface de contact, qui fait partie de la surface de la jonction et des thermoélectrodes adjacentes à la jonction. Dans une certaine mesure, l'échange de chaleur se produit par rayonnement entre la plaque et la partie de la surface de jonction de la thermoélectrode qui n'est pas en contact avec elle.

D'autre part, la partie de la surface de jonction en contact avec la plaque et les thermoélectrodes du thermocouple perdent de l'énergie thermique en raison du rayonnement vers les corps plus froids entourant la plaque et du transfert de chaleur convectif vers les flux d'air lavant la jonction.

Ainsi, la jonction et les thermoélectrodes de thermocouple adjacentes dissipent une partie importante de l'énergie thermique qui est fournie en continu à la jonction à travers la surface de contact de la plaque.

Du fait de l'équilibre, la température de la jonction et de la partie adjacente de la surface de la plaque s'avère bien inférieure à la température des parties de la plaque éloignées de la jonction (lors de la mesure de hautes températures de plaques minces, cette erreur de mesure systématique peut atteindre des centaines de degrés) .

Cette erreur est réduite en réduisant la quantité de flux de chaleur dissipée par les électrodes de jonction et le thermocouple.A cet effet, il est utile d'utiliser des thermocouples fabriqués à partir des thermoélectrodes les plus fines possibles.

Les thermoélectrodes elles-mêmes ne doivent pas être immédiatement retirées de la plaque, mais il est préférable de les placer au préalable en contact thermique avec la plaque à une distance égale à au moins 50 diamètres des thermoélectrodes.

Il faut garder à l'esprit que si la plaque et la surface des thermoélectrodes ne sont pas oxydées, elles peuvent être fermées par la plaque et puissance thermoélectrique mesurée. etc. v. thermocouple correspondra à la température non pas de la jonction du thermocouple mais à la température du point de contact du thermocouple avec la surface.

Dans ce cas, une fine couche d'isolant électrique, par exemple une fine feuille de mica, doit être placée entre les thermoélectrodes et la plaque. Il est également recommandé de recouvrir toute la surface de la jonction et la zone de la thermoélectrode d'une couche d'isolant thermique, par exemple un revêtement réfractaire, pour réduire les pertes dues au rayonnement et au transfert de chaleur par convection.

En respectant ces précautions, il est possible de s'assurer que la température de surface des pièces métalliques est mesurée à quelques degrés près.

Parfois, ce n'est pas la connexion du thermocouple qui est soudée à la surface de la plaque métallique, mais ses thermocouples à une certaine distance les uns des autres.

Cette méthode de mesure de la température d'une surface métallique ne peut être considérée comme acceptable que si l'on a confiance dans l'égalité des températures des plaques aux deux points de soudage des thermoélectrodes. Sinon, une puissance thermoélectrique parasite apparaîtra dans le circuit du thermocouple. d. s développé à partir des matériaux de thermoélectrode avec le matériau de la plaque.

Vous trouverez ci-dessous une description des thermocouples tels que l'arc, le patch et la baïonnette.Ils sont utilisés pour mesurer les températures des surfaces des corps immobiles.

Thermocouple avec arc (ruban)

Le thermocouple de nez est équipé d'un élément sensible réalisé sous la forme d'une bande de deux métaux ou alliages (par exemple, chromel et alumel) d'une longueur de 300 mm, d'une largeur de 10 - 15 mm, soudée ou soudée dans le front et roulé à une épaisseur de 0,1 — 0,2 mm...

Les extrémités de la bande avec un joint au milieu sont fixées sur des isolateurs aux extrémités d'une poignée à ressort en forme d'arc afin que la bande soit tendue à tout moment. De ses extrémités aux bornes de l'appareil de mesure (millivoltmètre), il y a des fils faits des mêmes matériaux que les deux moitiés du ruban.

Pour mesurer la température d'une surface convexe, le thermocouple du faisceau est pressé contre cette surface depuis la partie médiane de sorte que la surface soit recouverte de ruban adhésif, au moins pour des sections de 30 mm de part et d'autre de la jonction.

Thermocouple de porc

Les thermoélectrodes formant un thermocouple sont soudées dans les trous traversants du disque de cuivre rouge. Pour assurer la résistance mécanique de la structure, des thermoélectrodes d'un diamètre de 2 à 3 mm sont utilisées. La surface inférieure du disque (le "patch") est moulée dans la surface dont le thermocouple est destiné à mesurer la température.

La force thermoélectromotrice du thermocouple patch est formée à la suite de la fermeture des thermoélectrodes par le métal du patch. En bonne soudure, cette fermeture s'effectue sur toute la surface des segments de thermoélectrode en creux à l'intérieur du patch.Mais le circuit électrique de plus faible résistance est principalement formé par la couche superficielle supérieure du patch, et la température de cette couche détermine principalement la puissance thermoélectrique. etc. v. thermocouples.

Les équations de bilan thermique du thermocouple patch sont similaires à ce qui a été fait ci-dessus pour le thermocouple à bande, à la différence qu'en plus du flux de chaleur dissipé à la suite du transfert de chaleur convectif et radiatif depuis la surface externe du patch, d'une grande l'importance est de prendre en compte la part du flux thermique dissipé aspirée par les patchs thermoélectrodes du fait de leur conductivité thermique.

Il faut tenir compte de la circonstance suivante. Les thermoélectrodes sont constituées de différents métaux ou alliages avec différentes valeurs du coefficient de conductivité thermique. Ainsi, par exemple, le thermocouple thermocouple platine-rhodium de type PP se caractérise par un coefficient de conductivité thermique qui est la moitié de celui du deuxième thermocouple - platine.

Si les diamètres des thermoélectrodes sont les mêmes, alors la différence des valeurs des coefficients de conductivité thermique des thermoélectrodes conduira au fait qu'une différence de température se forme aux endroits de contact électrique des thermoélectrodes avec le patch, ce qui entraînera l'apparition d'énergie thermoélectrique parasite dans le circuit du thermocouple . etc. avec

Thermocouple à broche

Les thermocouples de ce type sont principalement utilisés pour mesurer les températures de surface de métaux et d'alliages relativement mous. Pour un thermocouple à baïonnette, des thermoélectrodes en alliages suffisamment durs, par exemple du chromel et de l'alumel d'un diamètre de 3 à 5 mm, sont utilisées.

L'une des thermoélectrodes thermocouple est fixée fixement sur la tête, et la seconde peut se déplacer sur son axe, et à l'état de non-fonctionnement, son extrémité est tirée par un ressort sous l'extrémité de la première thermoélectrode. Les extrémités des deux thermoélectrodes sont pointues.

Lorsqu'un thermocouple est amené à un objet de taille considérable, la surface de l'objet touche d'abord la pointe de la thermoélectrode mobile. Avec une pression supplémentaire sur la tête, la thermoélectrode y pénètre jusqu'à ce que la pointe de la thermoélectrode rencontre la surface de l'objet. Les deux pointes percent alors le film d'oxyde superficiel à la surface de l'objet et ce métal ferme le circuit électrique du thermocouple.

Avec un bon affûtage des extrémités des thermoélectrodes, le thermocouple donne des résultats fiables pour mesurer les températures des surfaces des métaux non ferreux avec un film d'oxyde doux et facilement percé.

L'utilisation d'un thermocouple à baïonnette à pointes émoussées conduit au fait que les surfaces de contact des deux thermoélectrodes avec l'objet deviennent relativement grandes, à la suite de quoi les surfaces des objets se refroidissent aux endroits où les extrémités des thermocouples se touchent et le thermocouple donne des lectures de température clairement sous-estimées. Cependant, déjà après 20 à 30 secondes, la chaleur provenant des zones environnantes de l'objet réchauffe la section refroidie et, avec elle, les extrémités des thermoélectrodes.

Ainsi, un thermocouple à baïonnette à bouts émoussés au moment du contact donne des lectures sous-estimées de la température de l'objet, après quoi, en quelques dizaines de secondes, ses lectures augmentent, se rapprochant asymptotiquement d'une valeur stable.Cette valeur stable diffère d'autant plus de la valeur réelle de la température de surface de l'objet que la surface de contact des bouts francs des thermoélectrodes avec l'objet est grande.

Étalonnage des thermocouples de surface

La température stationnaire du thermocouple de surface est inférieure à la température mesurée de la surface avec laquelle le thermocouple est en contact. Cette différence de température peut être largement expliquée en raison de l'étalonnage du thermocouple de surface dans des conditions de transfert de chaleur depuis sa surface externe, se rapprochant des conditions de fonctionnement.

De cette position, il résulte que la caractéristique d'étalonnage des surfaces de thermocouple peut différer sensiblement de la caractéristique d'un thermocouple formé par les mêmes thermoélectrodes, mais calibré par la méthode de comparaison avec un exemple, lorsqu'ils sont simultanément immergés dans un espace thermostaté.

Par conséquent, les thermocouples de surface ne peuvent pas être étalonnés par immersion dans des thermostats (thermostats chauffants de laboratoire à liquide pour l'étalonnage des thermocouples). Une technique d'étalonnage différente doit leur être appliquée.

Les thermocouples de surface sont calibrés en appliquant la pression requise sur la surface métallique extérieure du thermostat liquide à paroi mince. Le liquide chauffé à l'intérieur du thermostat est bien mélangé et sa température est mesurée avec un appareil d'échantillonnage.

La surface extérieure du thermostat est recouverte d'une couche d'isolation thermique. L'isolation thermique ne couvre pas seulement une petite zone de la surface extérieure, qui correspond à environ la moitié de la hauteur du thermostat, sur laquelle le thermocouple est appliqué.

Dans cette conception, la température de la surface métallique du thermostat sous le thermocouple de surface, avec une erreur ne dépassant pas quelques dixièmes de degré, peut être considérée comme égale à la température du liquide dans le thermostat.